知识窗 | 关于声呐的那些事儿

“声纳”表示的是一个物理量，物理学上用“声导纳”表示某物质容许声音通过的能力，英文是acoustic susceptance。

sonar一词所表达的“声呐”，是指一种声波探测仪器，则是一种水声设备。

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——李国栋《中国科技术语》1999

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一、自然界中的声呐

蝙蝠用喉头发射超声脉冲，用耳朵接收其回波，借助这种“主动声呐”它可以探查到很细小的昆虫及0.1mm粗细的金属丝障碍物。而飞蛾等昆虫也具有“被动声呐”，能清晰地听到40m以外的蝙蝠超声，因而往往得以逃避攻击。然而，有的蝙蝠能使用超出昆虫侦听范围的高频超声或低频超声，从而使捕捉昆虫的命中率仍然很高。

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海豚和鲸等海洋哺乳动物则拥有“水下声呐”，它们能产生一种十分确定的讯号探寻食物和相互通讯。海豚声呐的灵敏度很高，抗干扰能力也是惊人的，如果有噪声干扰，它会提高叫声的强度盖过噪声，而且，海豚声呐还具有感情表达能力，已经证实海豚是一种有“语言”的动物，它们的“交谈”正是通过其声呐系统。白鳍豚的声呐系统“分工”明确，有为定位用的，有为通讯用的，有为报警用的，并有通过调频来调制相应的特殊功能。多种鲸类都用声来探测和通信，它们使用的频率比海豚的低得多，作用距离也远得多。其他海洋哺乳动物，如海豹、海狮等也都会发射出声呐信号，进行探测。

二、利用声波作为信息载体

在水中进行观察和测量，具有得天独厚条件的只有声波。低频的声波可以穿透海底几千米的地层，并且得到地层中的信息。在水中进行测量和观察，迄今还未发现比声波更有效的手段。

1. 电磁波在水下衰减的很快

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水下波长越短，损失越大，而一般通信和探测用的电磁波波长都很短，在水下衰减的极快，即使用大功率的低频电磁波，也只能传播几十米。

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2. 光在水下也难以传播

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光在水中的穿透能力很有限，即使在最清澈的海水中，人们也只能看到十几米到几十米内的物体。由于海水对蓝绿波段的可见光吸收损耗极小，因此蓝绿光通过海水时，不仅穿透能力强，而且方向性极好，科学家大力研究蓝绿光通信的可能，虽然蓝绿光补偿滤波器和蓝绿激光器的制造仍然存在困难。

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3. 声呐的使用有事实基础

声波在水下可以传播几千公里，很多鲸类都是用声波沟通的，声音在水下是非常有效的。

三、基础性质

1. 声速在水中受影响情况

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2. 水声信道的特性

多途效应：由于声波在海中的折射和在上下界面处的反射，将产生传播过程中的多途现象。频散效应：不同频率的声波，在海中传播的速度也不同，因而将造成脉冲信号传播变形。浅海低频截止：当海深小于声波的半波长时，声继续向前传播时，其幅度将随向前距离，迅速依指数率衰减。深海高频汇聚：由于深海声道效应，声传播过程中，将出现周期性汇聚现象。传播方向偏转：当声波沿倾斜海底斜向传播时，其传播方向将发生偏转。传播起伏：声在随机起伏海水介质中传播，及随机界面上反射，将引起声波幅度及相位的随机起伏。

3. 分类

主动声呐：主动声呐技术是指声呐主动发射声波“照射”目标，而后接收水中目标反射的回波时间，以及回波参数以测定目标的参数。被动声呐：被动声呐技术是指声呐被动接收舰船等水中目标产生的辐射噪声和水声设备发射的信号，以测定目标的方位和距离。

四、发展方向

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自1400年意大利艺术家、科学家达芬奇利用声管听到水中的声音起，声呐技术发展至今已有500多年的历史。在两次世界大战期间，反潜战使声呐成为海军不可或缺的耳目，推动着声呐技术逐步趋于成熟。近年来，随着微电子技术、信号处理技术的发展，以及人们对声传播规律的认识，声呐技术有了长足的进步。

1. 先进的信号处理技术

大家形象地将获取有效的声呐信息比作“海里捞针”，那么优异的信息处理技术就是一个“有经验、有能力、有效率的捞针者”。声呐系统的更新在很大程度上是随着计算机系统和信息处理的升级而进行的，声呐基阵的改动不大。继续向低频、大功率、大基阵方向发展。

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2. 水声通信和声呐组网技术

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向系统性、综合性发展。各种水下平台之间共享声呐数据已成为声呐技术的一个主要发展方向。组网技术能够远程探测，大大提高预警能力。但远程探测也有缺憾的地方，即声呐监听虚警率较高，探测误差也会累加。

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3. 被动声呐技术

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尽管被动声呐技术发展趋缓，但远未到被淘汰的地步。只要水面舰艇依然产生噪声、核潜艇依然会发出规则的声信号，就会有被动声呐存在。

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4. 低频主动声呐技术

声呐使用的脉冲序列越长、探测距离越远，声呐受混响影响就越严重。选择短脉冲固然会减小混响的影响，但同时也减小了声呐的探测距离。解决这个矛盾的方法之一是：使用脉冲编码技术，一个长脉冲序列可以被压缩成一个短脉冲序列，但频率和相位上也会发生一些变化。

5. 向系列化、模块化、标准化、高可靠性和可维修性发展

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现代声呐设备，无论是换能器基阵、还是信号处理机柜及显控台，都趋向采用标准化的模块式结构。这种结构具有扩展性好、互换性强、便于维修、可靠性强、研制周期短、研制经费少的优点。

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6. 向智能化方向发展

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用计算机进行声呐波束形成、信号处理、目标跟踪与识别、系统控制、性能监测、故障检测等，可大大提高声呐的性能。声呐也正在向智能化方向发展。

支撑技术

1. 被动测距

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被动测距声呐是从70年代初开始研制的。从理论上讲，只要声呐基阵的孔径足够大，用三点阵测距是没有问题的。关键是把三个基阵的声中心的相对延时精确测量出来。可以证明，被动测距的相对误差等于测距时的相对误差。

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2. 合成孔径技术

合成孔径声呐的研制近十年来受到很大的重视。

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3. 数据融合

声呐数据越来越多，单靠声呐员处理不够，所以数据融合的技术至少为辅助决策提供了强有力的工具。数据融合从所处理的信息层次来分，可以分为三级，即基础级、特征级和决策级。研究课题的级别越到底层就越复杂，现在大多数的研究工作还是围绕决策级展开的。

4. 目标识别与水下快速运动目标轨迹提取

数字式声呐的基本功能是测向和测距，目标识别的功能通常由声呐员通过鉴别目标辐射噪声来完成。

声呐的危害

研究人员发现，蓝鲸在受到中等频率的声波的刺激后，会变得焦躁不安，并出现加速游走，放弃深海捕食等现象。往往会在受到干扰后的一个多小时内，它们都不再下海捕食。而且，声呐不仅影响了蓝鲸，还对抹香鲸等鲸类会造成了不好的影响。一些鲸类搁浅，声呐可能脱不了干系。

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